(57)【要約】本発明は、コイル駆動回路を備えるコンタクタの省電力回路である。コンタクタの省電力回路は整流フィルタ回路と、ＰＦＣ回路と、補助電源供給回路と、矩形波発生回路と、をさらに備える。前記矩形波発生回路は、設定タイミングシーケンスに基づき、第１の出力端子を介してＰＦＣ回路に第１の矩形波信号を出力し、第２の出力端子を介してコイル駆動回路に第２、第３の矩形波信号を出力することによって、それぞれＰＦＣ回路における第１のスイッチングトランジスタとコイル駆動回路における第２のスイッチングトランジスタとのデューティサイクルを制御する。前記補助電源供給回路は、コンタクタの保持段階において矩形波発生回路に電気エネルギーを供給する。前記整流フィルタ回路は、入力した交流電流を脈動直流電流に整流し、且つ５０Ｈｚの周波数成分以外の高調波成分を除去した後、入力した短いパルス電流を平滑電流にフィルタリングして、前記平滑電流をＰＦＣ回路に出力する。前記ＰＦＣ回路は、整流フィルタ処理した電気エネルギーを受け入れ、入力電流の実効値を入力電圧に追従して変化し、且つ入力電流をコイル駆動回路と補助電源供給回路に出力する。前記コイル駆動回路は、コンタクタコイルの電流を制御することに用いる。前記コンタクタの引込段階において、ＰＦＣ回路が動作せず、省電力回路はコンタクタコイルに大電流を提供して引込む。遷移段階において、ＰＦＣ回路が動作し、省電力回路はコンタクタコイルの電流を徐々に小さくするよう制御する。コンタクタの保持段階において、ＰＦＣ回路が連続的に動作され、省電力回路はコンタクタコイルの電流が連続的に保持するための必要な小電流であるよう制御する。【選択図】図１
2019502348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動回路を備えるコンタクタの省電力回路であって、
フィルタ回路と、ＰＦＣ回路と、補助電源供給回路と、矩形波発生回路と、をさらに備え、
前記矩形波発生回路は、設定タイミングシーケンスに基づき、第１の出力端子を介して前記ＰＦＣ回路に第１の矩形波信号を出力し、第２の出力端子を介して前記コイル駆動回路に第２、第３の矩形波信号を出力することによって、それぞれ前記ＰＦＣ回路における第１のスイッチングトランジスタと前記コイル駆動回路における第２のスイッチングトランジスタとのデューティサイクルを制御し、
前記補助電源供給回路は、前記コンタクタの保持段階において前記矩形波発生回路に電気エネルギーを供給し、
整流フィルタ回路は、入力した交流電流を脈動直流電流に整流し、且つ５０Ｈｚの周波数成分以外の高調波成分を除去した後、入力した短いパルス電流を平滑電流にフィルタリングして、前記平滑電流を前記ＰＦＣ回路に出力し、
前記ＰＦＣ回路は、整流フィルタ処理した電気エネルギーを受け入れ、入力電流の実効値を入力電圧に追従して変化させ、且つ前記入力電流を前記コイル駆動回路と前記補助電源供給回路に出力し、
前記コイル駆動回路は、コンタクタコイルの電流を制御することに利用され、
前記コンタクタの引込段階において、前記ＰＦＣ回路が動作せず、前記省電力回路は前記コンタクタコイルに大電流を提供して引込み、
遷移段階において、前記ＰＦＣ回路が動作し始め、前記省電力回路は前記コンタクタコイルの電流を徐々に小さくするように制御し、
前記コンタクタの保持段階において、前記ＰＦＣ回路が連続的に動作され、前記省電力回路は前記コンタクタコイルの電流が連続的に保持するための必要な小電流であるように制御することを特徴とするコンタクタの省電力回路。
【請求項２】
前記整流フィルタ回路は、インダクタを備え、前記ＰＦＣ回路は、トランスを備え、
前記整流フィルタ回路の前記インダクタと前記ＰＦＣ回路の前記トランスとの選択パラメータは、前記コンタクタの引込段階のパワーによって決められ、前記コンタクタの引込段階において、前記インダクタと前記トランスが飽和状態に入っていることを特徴とする請求項１に記載のコンタクタの省電力回路。
【請求項３】
前記矩形波発生回路の設定タイミングシーケンスは、
前記コンタクタの引込段階において、前記ＰＦＣ回路が動作しない状態になるため、前記第１の出力端子は前記ＰＦＣ回路の第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタに前記第１の矩形波信号を出力しないように制御し、前記第２の出力端子を介して前記コイル駆動回路の第２のＮ−ＭＯＳ型トランジスタに大デューティサイクルの第２の矩形波信号を出力し、
前記遷移段階において、前記ＰＦＣ回路を動作し始めるため、前記第１の出力端子を介して前記ＰＦＣ回路の前記第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタに前記第１の矩形波信号を出力し始め、前記第２の出力端子を介して前記コイル駆動回路の前記第２のＮ−ＭＯＳ型トランジスタに小デューティサイクルの第３の矩形波信号を出力し、
前記コンタクタの保持段階において、前記ＰＦＣ回路を継続的に動作させるため、前記第１の出力端子を介して前記ＰＦＣ回路の前記第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタに前記第１の矩形波信号を継続的に出力し、前記コンタクタコイル電流が連続的に保持するための必要な小電流であるように、前記第２の出力端子を介して前記コイル駆動回路の第２のＮ−ＭＯＳ型トランジスタに小デューティサイクルの第３の矩形波信号を継続的に出力することを特徴とする請求項１に記載のコンタクタの省電力回路。
【請求項４】
前記コンタクタの引込段階において、前記コンタクタの省電力回路に提供された大電流は、前記コンタクタの保持段階において、前記コンタクタの省電力回路に提供された小電流の１０〜２０倍であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの一項に記載のコンタクタの省電力回路。 
【請求項５】
前記整流フィルタ回路は、前記インダクタと、整流ブリッジと、第１のコンデンサとを備え、前記インダクタはＡＣ電流の入力端子と前記整流ブリッジの入力端子との間に直列に接続され、前記整流ブリッジの出力端子は前記第１のコンデンサと並列に接続され、前記整流フィルタ回路の出力端子として引き出されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの一項に記載のコンタクタの省電力回路。
【請求項６】
前記ＰＦＣ回路は、トランスと、第１のＮ−ＭＯＳトランジスタと、第２のダイオードと、第３のコンデンサとを備え、前記トランスは一次巻線と、二次巻線とを備え、前記一次巻線のドット端子は前記整流フィルタ回路の出力端子に接続され、前記一次巻線の非ドット端子はそれぞれ前記第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのドレイン電極と前記第２のダイオードのアノードと接続され、前記第２のダイオードのカソードは前記第３のコンデンサを介して接地され、前記第２のダイオードのカソードは前記ＰＦＣ回路の出力端子として引き出され、前記第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのゲートは前記矩形波発生回路の前記第１の出力端子に接続され、前記第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのソース電極は接地され、前記二次巻線は前記補助電源供給回路に接続されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの一項に記載のコンタクタの省電力回路。
【請求項７】
前記ＰＦＣ回路は、トランスと、第１のＮ−ＭＯＳトランジスタと、第２のダイオードと、第３のコンデンサとを備え、前記トランスは一次巻線と、二次巻線とを備え、前記第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのドレイン電極は前記整流フィルタ回路の出力端子に接続され、前記第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのソース電極はそれぞれ前記一次巻線のドット端子と前記第２のダイオードのカソードと接続され、前記一次巻線の非ドット端子は第３のコンデンサを介して接地され、前記一次巻線の前記非ドット端子は前記ＰＦＣ回路の出力端子として引き出され、前記第２のダイオードのアノードは接地され、前記第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのゲートは前記矩形波発生回路の前記第１の出力端子に接続され、前記二次巻線は前記補助電源供給回路に接続されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの一項に記載のコンタクタの省電力回路。
【請求項８】
前記矩形波発生回路は、第１の入力端子と、第２の入力端子と、第１の出力端子と、第２の出力端子と、を備え、前記矩形波発生回路を最初に起動する時に必要な電気エネルギーを提供するため、前記第１の入力端子は前記ＰＦＣ回路の入力端子に接続され、前記矩形波発生回路に前記遷移段階と前記保持段階において必要な電気エネルギーを提供するため、前記第２の入力端子は前記補助電源供給回路の出力端子ＶＤＤに接続され、前記第１の矩形信号を出力して前記ＰＦＣ回路のエネルギー伝送を制御するため、前記第１出力端子は前記ＰＦＣ回路に接続され、前記矩形波信号のデューティサイクルを変更することによって、前記コンタクタコイルの電流を調節するため、前記第２出力端子は前記コイル駆動回路に接続されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの一項に記載のコンタクタの省電力回路。
【請求項９】
前記補助電源供給回路は、第１のダイオードと、第２のコンデンサと、からなり、前記第１のダイオードのアノードは前記ＰＦＣ回路に接続され、前記第２のダイオードのカソードは前記第２のコンデンサを介して接地され、前記第２のダイオードの前記カソードは前記補助電源供給回路の出力端子ＶＤＤとして引き出されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの一項に記載のコンタクタの省電力回路。
【請求項１０】
前記コイル駆動回路は、第３のダイオードと、第２のＮ−ＭＯＳトランジスタと、からなり、前記第３のダイオードのカソードは前記ＰＦＣ回路の出力端子に接続され、前記コンタクタコイルの一端に接続するため、前記第３のダイオードの前記カソードは前記コイル駆動回路の正出力端として引き出され、前記第３のダイオードのアノードは前記第２のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのドレイン電極と接続され、前記コンタクタコイルの他端に接続させるため、前記第２のＮ−ＭＯＳ型トランジスタの前記ドレイン電極は前記コイル駆動回路の負出力端として引き出され、前記第２のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのゲートは前記矩形波発生回路の第２の出力端子に接続され、前記第２のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのソース電極は接地されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの一項に記載のコンタクタの省電力回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡＣコンタクタに関し、具体的には、力率を向上するＡＣコンタクタの省電力回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のコンタクタの操作システムは、コイルと、固定コアと、電機子と、反力スプリングと、からなる。コンタクタコイルに通電した後、固定コアと電機子との間に引込力（吸引力）が発生され、引込力がばね反力よりも大きい場合、電機子は、固定コアと接触するまで引き込まれ、この時点で主接点が閉鎖され、このプロセスは引込プロセスと呼ばれる。コイルは連続に通電させ、電機子が固定コアと接触したままで、主接点の閉鎖状態を保持するプロセスは、引込プロセスと呼ばれる。コイルにおける電流が減少又は中断された際に、固定コアが電機子に対する引込力は低減され、引込力はばね反力よりも小さい場合、電機子が開放位置に戻り、主接点が離れ、このプロセスは解放プロセスと呼ばれる。
【０００３】
コンタクタ（接触器：contactor）は、ＡＣ回路、ＤＣ回路を頻繁にオン又はオフするために用い、且つ低電圧電気機器をリモートコントロールすることができ、電気モータ、電気ヒータ、電気溶接機及び照明灯などの電力負荷を制御するためによく使用される。現在、中国ではコンタクタの使用量が大きく、中・大容量のコンタクタは保持状態である際、有効電力消費は一台毎平均して約６０Ｗであり、力率はわずか約０．３である。コンタクタのエネルギー消費を減らすことで省エネに大きく貢献することができる。
【０００４】
現在、既存のコンタクタ省電力装置は、ＡＣ電流をＤＣ電流に変換し、大電流で引込、小電流で保持の方式を利用し、電磁コイルの鉄損、銅損と短絡ループの損失を大幅に減少させ、有効電力消費を９０％以上低減することができる。しかし、これらの技術はまだいくつかの欠陥を有し、有効電力消費の問題だけを解決し、力率を改善することはできず、いくつかの省電力技術は、力率が低減されることがある。例えば中国特許出願番号が第２００５１００２９３７３．２である発明では、パルス方式で電磁コイルに電力を供給し、電磁コイルを一定な小電流で動作させる。この方式で動作させる場合、多くの高調波を生成するだけではなく、入力電流の実効値が入力電圧に追従せず、力率が低くなり、この技術によるプロトタイピングは、実際のＰＦ値が０．３未満である。中国特許出願番号が２０１２１０１９６７６２．４と２０１０１００４００１９．９である発明では、入力されたＡＣ電圧がゼロの近傍において電磁コイルに励起され、入力電流と出力電圧とが反転に類似する状態で、この技術によるプロトタイピングは、力率が０．１未満である。 
【０００５】
中国規格ＧＢ２１５１８−２００８では、コンタクタコイルの損失に応じて三つのエネルギー効率のレベルに分けられる。通常、従来のコンタクタは、３級レベルのエネルギー効率であり、省エネルギー技術を有するコンタクタは、２級レベルのエネルギー効率を達成することができる。容量が１００Ａ以上であるコンタクタに対して、１級レベルのエネルギー効率を達成するために、コイルの引込み（プルイン：pull-in）の消費電力を１ＶＡ以下に低減する必要がある。現在、ほとんどの省エネ技術コンタクタは、力率の問題を考慮せず、既存の省電力技術を用い、１級レベルのエネルギー効率を達成することは困難である。１級レベルのエネルギー効率の達成を可能にするために、ＰＦＣ回路を用いなければならない。コンタクタと関連する分野では、アクティブＰＦＣの技術を用いてコンタクタコイルの力率を向上することは見出されておらず、当業者にとってアクティブＰＦＣの技術は新しい技術である。スイッチング電源の分野では、関連する業界標準の要件によって、アクティブＰＦＣ回路は、通常電力レベルが７５Ｗ以上であるスイッチング電源に使用することができ、低消費電力のスイッチング電源は、コストの要因で使用することができず、電力レベルが１Ｗ以下であるマイクロスイッチング電源では使用できない。通常、高消費電力のＰＦＣ回路は連続モードまたはクリティカルモードで動作し、低消費電力のＰＦＣ回路は断続モードで動作し、その差は非常に大きい。電力レベルが１Ｗ以下であるＰＦＣ回路の動作原理及びプロセスは、高消費電力のＰＦＣ回路と異なり、当業者にとって、電力レベルが１Ｗ未満であるＰＦＣ技術は、公知常識ではない。
【０００６】
先行技術に存在する上記欠点に対して、本発明は、ＡＣコンタクタの省電力回路を提供し、従来のコンタクトは１級レベルのエネルギー効率に到達するように、コンタクトコイルの有効電力消費を低減すると共に、力率を向上することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の技術的課題を解決するために、コンタクトコイルの有効電力消費を低減すると共に、力率を向上することができるコンタクタの省電力回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の技術的目的を達成するために、本発明は、コンタクタの省電力回路を提供し、コンタクタの省電力回路は、コイル駆動回路を備え、整流フィルタ回路と、ＰＦＣ回路と、補助電源供給回路と、矩形波発生回路と、をさらに備え、前記矩形波発生回路は、設定タイミングシーケンスに基づき、第１の出力端子を介してＰＦＣ回路に第１の矩形波信号を出力し、第２の出力端子を介してコイル駆動回路に第２、第３の矩形波信号を出力することによって、それぞれＰＦＣ回路における第１のスイッチングトランジスタとコイル駆動回路における第２のスイッチングトランジスタとのデューティサイクルを制御する。前記補助電源供給回路は、コンタクタの保持段階において矩形波発生回路に電気エネルギーを供給する。前記整流フィルタ回路は、入力した交流電流を脈動直流電流に整流する。且つ５０Ｈｚの周波数成分以外の高調波成分を除去した後、入力した短いパルス電流を平滑電流にフィルタリングして、前記平滑電流をＰＦＣ回路に出力する。前記ＰＦＣ回路は、整流フィルタ処理した電気エネルギーを受け入れ、入力電流の実効値を入力電圧に追従して変化し、且つ前記入力電流をコイル駆動回路と補助電源供給回路に出力する。前記コイル駆動回路は、コンタクタコイルの電流を制御することに用いる。前記コンタクタの引込段階において、前記ＰＦＣ回路が動作せず、前記省電力回路は前記コンタクタコイルに大電流を提供して引込み（プルイン：pull-in）する。遷移段階において、前記ＰＦＣ回路が動作し始め、前記省電力回路は前記コンタクタコイルの電流を徐々に小さくするよう制御する。コンタクタの保持段階において、前記ＰＦＣ回路が連続的に動作され、前記省電力回路は連続的に保持するために必要な小電流であるよう前記コンタクタコイルの電流を制御する。
【０００９】
好ましくは、前記整流フィルタ回路は、インダクタを備え、前記ＰＦＣ回路は、トランスを備え、前記整流フィルタ回路のインダクタと前記ＰＦＣ回路のトランスとの選択パラメータは、前記コンタクタの引込段階のパワー（出力、電力）によって決められ、前記コンタクタの引込段階において、前記インダクタと前記トランスが飽和状態に入っている。
【００１０】
好ましくは、前記矩形波発生回路の設定タイミングシーケンスは、前記コンタクタの引込段階において、ＰＦＣ回路が動作しない状態になるため、前記第１の出力端子が前記ＰＦＣ回路の第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタに第１の矩形波信号を出力しないように制御し、前記第２の出力端子を介して前記コイル駆動回路の第２のＮ−ＭＯＳ型トランジスタに大デューティサイクルの第２の矩形波信号を出力し、前記遷移段階において、ＰＦＣ回路を動作し始めるため、前記第１の出力端子を介して前記ＰＦＣ回路の第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタに第１の矩形波信号を出力し始め、前記第２の出力端子を介して前記コイル駆動回路の第２のＮ−ＭＯＳ型トランジスタに小デューティサイクルの第３の矩形波信号を出力し、前記コンタクタの保持段階において、ＰＦＣ回路を継続的に動作させるため、前記第１の出力端子を介して前記ＰＦＣ回路の第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタに第１の矩形波信号を継続的に出力し、前記コンタクタコイルの電流が継続的に保持するための必要な小電流であるように、前記第２の出力端子を介して前記コイル駆動回路の第２のＮ−ＭＯＳ型トランジスタに小デューティサイクルの第３の矩形波信号を出力する。
【００１１】
好ましくは、前記コンタクタの引込段階において、前記コンタクタの省電力回路に提供された大電流は、前記コンタクタの保持段階において、前記コンタクタの省電力回路に提供された小電流の１０〜２０倍である。
【００１２】
好ましくは、前記整流フィルタ回路は、インダクタと、整流ブリッジと、第１のコンデンサとを備え、前記インダクタはＡＣ電流の入力端子と前記整流ブリッジの入力端子との間に直列に接続され、前記整流ブリッジの出力端子は前記第１のコンデンサと並列に接続され、前記整流フィルタ回路の出力端子として引き出される。
【００１３】
好ましくは、前記ＰＦＣ回路は、前記トランスと、前記第１のＮ−ＭＯＳトランジスタと、前記第２のダイオードと、第３のコンデンサとを備え、前記トランスは一次巻線と、二次巻線とを備え、前記一次巻線のドット端子(dotted ends)は前記整流フィルタ回路の出力端子に接続され、前記一次巻線の非ドット端子（non-dotted ends）はそれぞれ前記第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのドレイン電極と前記第２のダイオードのアノードと接続され、前記第２のダイオードのカソードは前記第３のコンデンサを介して接地され、前記第２のダイオードのカソードはＰＦＣ回路の出力端子として引き出され、前記第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのゲートは前記矩形波発生回路の第１の出力端子に接続され、前記第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのソース電極は接地され、前記二次巻線は前記補助電源供給回路に接続される。
【００１４】
好ましくは、前記ＰＦＣ回路は、前記トランスと、前記第１のＮ−ＭＯＳトランジスタと、前記第２のダイオードと、第３のコンデンサとを備え、前記トランスは一次巻線と、二次巻線とを備え、前記第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのドレイン電極は前記整流フィルタ回路の出力端子に接続され、前記第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのソース電極はそれぞれ前記一次巻線のドット端子と前記第２のダイオードの前記カソードと接続され、前記一次巻線の非ドット端子は第３のコンデンサを介して接地され、前記一次巻線の非ドット端子は前記ＰＦＣ回路の出力端子として引き出され、前記第２のダイオードのアノードは接地され、前記第１のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのゲートは前記矩形波発生回路の第１の出力端子に接続され、前記二次巻線は補助電源供給回路に接続される。
【００１５】
好ましくは、前記矩形波発生回路は、第１の入力端子と、第２の入力端子と、第１の出力端子と、第２の出力端子と、を備え、前記矩形波発生回路を最初に起動する時に必要な電気エネルギーを提供するため、前記第１の入力端子は前記ＰＦＣ回路の入力端子に接続され、前記矩形波発生回路に遷移段階と保持段階において必要な電気エネルギーを提供するため、前記第２の入力端子は前記補助電源供給回路の出力端子ＶＤＤに接続され、第１の矩形信号を出力して前記ＰＦＣ回路のエネルギー伝送を制御するため、前記第１出力端子は前記ＰＦＣ回路に接続され、前記矩形波信号のデューティサイクルを変更することによって、前記コンタクタコイルの電流を調節するため、前記第２出力端子は前記コイル駆動回路に接続される。
【００１６】
好ましくは、前記補助電源供給回路は、第１のダイオードと、第２のコンデンサと、からなり、前記第１のダイオードのアノードはＰＦＣ回路に接続され、前記第２のダイオードのカソードは第２のコンデンサを介して接地され、前記第２のダイオードのカソードは補助電源供給回路の出力端子ＶＤＤとして引き出される。
【００１７】
好ましくは、前記コイル駆動回路は、第３のダイオードと、第２のＮ−ＭＯＳトランジスタと、からなり、前記第３のダイオードのカソードはＰＦＣ回路の出力端子に接続され、前記コンタクタコイルの一端に接続するため、前記第３のダイオードのカソードは前記コイル駆動回路の正出力端として引き出され、前記第３のダイオードのアノードは前記第２のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのドレイン電極と接続され、前記コンタクタコイルの他端に接続させるため、前記第２のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのドレイン電極は前記コイル駆動回路の負出力端として引き出され、前記第２のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのゲートは前記矩形波発生回路の第２の出力端子に接続され、前記第２のＮ−ＭＯＳ型トランジスタのソース電極は接地される。
【発明の効果】
【００１８】
従来技術に対して、本発明の利点及び有益な効果は、次の通りである。即ち、本発明が従来の０．３未満のＰＦ値から０．９以上に上昇するようコンタクタの省電力回路の力率を著しく向上した。コンタクタの消費電力は、１ＶＡ以下に低減して、中国規格ＧＢ２１５１８−２００８の１級レベルのエネルギー効率要件を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るコンタクタの省電力回路の回路原理のブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るコンタクタの省電力回路の回路原理図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るコンタクタの省電力回路がフィルタで処理されていない入力電流および入力電圧の波形図である。
【図４】図３の部分的な電流波形の局部の拡大図である。
【図５】図３の入力電流の周波数スペクトルの図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係るコンタクタの省電力回路がフィルタで処理された入力電流および入力電圧の波形図である。
【図７】図６の入力電流の周波数スペクトルの図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係るコンタクタの省電力回路における各部分の電圧、電流の模式図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係るコンタクタの省電力回路の回路原理図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係るコンタクタの省電力回路における各部分の電圧、電流の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
先行技術への改善をより良く理解し、本発明のコンセプトを明らかにするために、本発明の二つの実施形態を詳細に説明する前に、まず背景技術の部分で言及した従来技術を説明する。
【００２１】
従来のコンタクタは、引込プロセスにおいてコイルに大電流が必要なので、保持プロセスにおいてコイルが必要とする電流が小さく、通常、引込電流は保持電流の１０〜２０倍である。回路を設計する際、コストとサイズを低減するために、第１のインダクタと第１のトランスは保持パワーによって設計されるので、引込プロセスにおいて第１のインダクタと第１のトランスは飽和状態になり、ＰＦＣ回路が正常に動作できない。よって、初めてコンタクタを通電する際、矩形波発生回路の第１の出力端子は矩形波信号を出力せず、ＰＦＣ回路が動作しない。矩形波発生回路の第２の出力端子はデューティサイクルの大きい矩形波信号を出力し、大電流がコイルを流れ、その時はコンタクタが引込状態になる。一定の時間遅延（好ましくは、選択可能な遅延時間は１００ｍｓである）を経過して、矩形波発生回路の第１の出力端子が矩形波信号を出力し、ＰＦＣ回路の正常動作を制御する。第２の出力端子はデューティサイクルの小さい矩形波信号を出力し、コイルに流れる電流が小さくなり、コンタクタコイルの有効電力消費を低減し、コンタクタが保持プロセスに入る。
【００２２】
一般的な力率補正回路は、通常、消費電力が何十ワット以上である電源に使用され、一般的に臨界モードまたは連続モードで動作する。従来の力率補正回路と比較して、前記ＰＦＣ回路の電力レベルは１Ｗ未満であり、明らかな技術的相違性を有する。前記ＰＦＣ回路は断続モードで動作し、デューティサイクルが小さい（好ましくは、矩形波発生回路の第１の出力端子の矩形波周波数が１００ｋＨｚであり、デューティサイクルが１％である）。このような小さなデューティサイクルで、入力電流の実効値を入力電圧に追従して変化するが、電流が短パルス電流であり、高周波数の高調波成分が大き過ぎて、ＰＦ値が０．３未満である。そして第１のインダクタおよび第１のコンデンサは、フィルタの役割を果たし、短パルス電流をフィルタによって平滑化の電流にさせ、ＰＦ値が０．９まで達成することができる。
【００２３】
この考え方によれば、本発明の原理および実施形態は、図面と併せて詳細に説明する。
第１の実施形態
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るコンタクタの省電力回路の回路原理のブロック図を示し、上記の最初の技術的解決手段の接続関係に従うことである。ＡＣコンタクタに用いる省電力回路は、整流フィルタ回路と、ＰＦＣ回路と、補助電源供給回路と、コイル駆動回路と、矩形波発生回路と、を備える。コイル駆動回路の機能は、コンタクタコイルの電流を制御することである。ＰＦＣ回路の機能は、入力電流の実効値を入力電圧に追従して変化し、もし整流フィルタ回路のフィルタリング効果がなければ、入力電流は短いパルス電流であり、高調波成分が大きく、入力電流の実効値を入力電圧に追従して変化しても、ＰＦ値も高くないことである。整流フィルタ回路は二つの機能を有し、第一の機能は、入力したＡＣ電流を脈動ＤＣ電流に整流することであり、第二の機能は、入力した短パルス電流を平滑化の電流にフィルタリングすることであり、ＰＦ値は比較的高い。矩形波発生回路はＰＦＣ回路とコイル駆動回路に矩形波信号を出力し、コンタクタコイルの電流とＰＦＣ回路の出力電圧の大きさを制御する。実際の実施形態の回路図は図２に示す。
【００２５】
整流フィルタ回路はインダクタＬ１と、整流ブリッジＤＢ１と、コンデンサＣ１とからなる。インダクタＬ１は、ＡＣ電流の入力端子と整流ブリッジＤＢ１の入力端子との間に直列に接続され、整流ブリッジＤＢ１の出力端子とコンデンサＣ１とが並列に接続され、整流ブリッジＤＢ１の出力端子が整流フィルタ回路の出力端子に接続されている。整流フィルタ回路は２つの機能を有し、第一の機能は、入力されたＡＣ電流を脈動ＤＣ電流に変換することであり、第二の機能は、入力したパルス電流を平滑電流にフィルタリングすることである。 
【００２６】
ＰＦＣ回路は、トランスＴ１と、Ｎ−ＭＯＳトランジスタＱ１と、ダイオードＤ２と、コンデンサＣ３と、からなり、トランスＴ１は一次巻線と二次巻線と、を備える。前記一次巻線のドット端子はコンデンサＣ１のプラス端子に接続され、前記一次巻線の非ドット端子は、それぞれＮ−ＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電極と、ダイオードＤ２のアノードと接続されている。Ｎ−ＭＯＳトランジスタＱ１のソース電極は接地され、ダイオードＤ２のカソードは、コンデンサＣ３を介して接地されている。ＰＦＣ回路は、入力電流の実効値を入力電圧に追従して変化する機能を有する。一般に連続モードまたは臨界モードで動作する力率補正回路と異なり、本発明の技術的解決手段である回路の出力電力は１Ｗ未満であり、トランスＴ１のサイズとコストを削減するために、一次巻線のインダクタンス量が大きくないので、 前記ＰＦＣ回路は断続モードで動作する。前記ＰＦＣ回路が本発明における機能をより明確に説明するため、実際のパラメータの一組を一例として、Ｎ−ＭＯＳトランジスタＱ１のゲートの駆動信号の周波数が１００ｋＨｚとなり、デューティサイクルが８％となり、トランスＴ１の一次巻線のインダクタンス量が約３０ｍＨとなり、入力されたＡＣ電流の周波数が５０Ｈｚとなり、インダクタＬ１を短絡させ、コンデンサＣ１を開放状態ようにさせて、図３の周波数サイクルにおける入力電流と出力電圧の波形が得られる。図３の電流波形を増幅させて、図４の単一のスイッチング・サイクルにおける入力電流波形が得られ、図面から入力電流が断続的であることが分かる。図３の電流をフーリエ分解して、図５の高調波成分図が得られる。図５から分かるように、５０Ｈｚの周波数成分以外は、１００ｋＨｚ及びその他の高調波成分に加える。図３〜図５から分かるように、ＰＦＣ回路が断続モードで動作し、入力電流の実効値を入力電圧に追従して変化するが、入力電流が連続せず、高調波成分を多く含まれ、実際ＰＦ値が高くない。実際のプロトタイプテストではＰＦ値が約０．３である。インダクタＬ１とコンデンサＣ１の機能は、入力電流における１００ｋＨｚを超える高周波成分を除去することである。インダクタＬ１は４０ｍＨの値にして、コンデンサＣ１は２．７ｎＦの値にして、図６に示す入力電圧と入力電流の波形が得られ、図面から分かるように、入力電流が平滑化になる。図６の入力電流波形をフーリエ分解して、図７に示す高調波成分図が得られる。図７から分かるように、１００ｋＨｚの高調波成分の大部分が除去され、５０Ｈｚの周波数成分のみを残したことによって、ＰＦ値が高くする。実際のプロトタイプテストではＰＦ値が０．９を達成することができる。
【００２７】
補助電源供給回路はダイオードＤ１と、コンデンサＣ２と、からなる。ダイオードＤ１のアノードはトランスＴ１の二次巻線のドット端子に接続され、ダイオードＤ１のカソードはコンデンサＣ２を介して接地され、トランスＴ１の二次巻線の非ドット端子が接地されている。
【００２８】
コイル駆動回路は、ダイオードＤ３と、Ｎ−ＭＯＳトランジスタＱ２と、前記コンタクタコイルと、からなる。ダイオードＤ３のカソードはダイオードＤ２のカソードと接続され、ダイオードＤ３のアノードはＮ−ＭＯＳトランジスタＱ２ドレイン電極と接続され、Ｎ−ＭＯＳトランジスタＱ２のソース電極は接地され、前記コンタクタコイルはダイオードＤ３と並列に接続される。Ｎ−ＭＯＳトランジスタＱ２がオンする際に、前記コンタクタコイルは励起され、コイル電流が増加する。Ｎ−ＭＯＳトランジスタＱ２がオフする際に、前記コンタクタコイルは、ダイオードＤ３を介して環流し、コイル電流が減少する。通常、コンタクタコイルのインダクタンス量が大きく、コイルの電流リップルが非常に小さく、定常状態でコイル電流が一定であると見なされる。Ｎ−ＭＯＳトランジスタのデューティサイクルを変化させることにより、コンタクタコイルの電流を変化させることができる。
【００２９】
矩形波発生回路Ｕ１は、第１のピンと、第２のピンと、第３のピンと、第４のピンと、第５のピンと、を備える。補助電源供給のため、第１のピンはダイオードＤ１のカソードと接続される。第２のピンは接地される。コンタクタコイルの電流を制御するため、第３のピンはＮ−ＭＯＳトランジスタＱ２のゲートと接続される。ＰＦＣ回路の出力電圧を制御するため、第４のピンはＮ−ＭＯＳトランジスタＱ１のゲートと接続される。起動時の矩形波発生回路に電気エネルギーを供給するため、第５のピンはＮ−ＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電極と接続される。図８に示すように、矩形波発生回路の動作のタイミングシーケンスは以下の通りである。
【００３０】
ｔ１〜ｔ２の区間はコンタクタの引込（プルイン：pull-in）段階である。通常、コンタクタコイルの引込電流（プルイン電流）は保持電流の１０〜２０倍であり、引込電流がコイル駆動回路によって制御され、Ｎ−ＭＯＳトランジスタＱ２のデューティサイクルを制御することによって、コンタクタコイルに大電流を通す可能である。サイズとコストを低減するため、インダクタＬ１やトランスＴ１は保持段階のパワーによって設計されるので、引込段階においてＬ１及びＴ１が飽和状態に入り、ＰＦＣ回路は正常に動作できない。よって、引込段階において矩形波発生回路の第４のピンは、矩形波信号を出力せず、ＰＦＣ回路を動作させない。
【００３１】
ｔ２〜ｔ３期間は遷移状態となる。ｔ２とき、矩形波発生回路の第３ピンの矩形波信号は大きなデューティサイクルから小さなデューティサイクルとなり、コンタクタコイル電流を徐々に小さくする。この時、矩形波発生回路の第４ピンは、矩方形波信号を出力し開始する。
【００３２】
ｔ３後の時間にコンタクタが保持状態となる。コンタクタコイルの電流が保持するための必要な電流まで低下すると、ＰＦＣ回路が正常に動作し始める。
第２の実施形態
【００３３】
図９は、本発明の第２の実施形態に係るコンタクタの省電力回路の回路図を示す。第２の実施形態のＰＦＣ回路は第１の実施形態のＰＦＣ回路と少し異なる。第１の実施形態のＰＦＣ回路は、ＢＯＯＳＴトポロジー構造であるが、第２の実施形態のＰＦＣ回路は、ＢＵＣＫトポロジー構造であり、特定のノード制御や電圧が第１の実施形態と異なることを除いて、その他の回路は第１の実施形態と原理的に相違ない。図１０に示すように、第１の実施形態との相違点は、矩形波発生回路の第１の出力はコンタクタの引込段階において常に高電圧を出力されることであり、ＰＦＣ回路は出力電圧が入力電圧よりも低いことである。
【００３４】
本発明の好ましい実施形態のみを上記で説明した。上記の好ましい実施形態は本発明を限定するものではなく、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲によって限定されるべきである。当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、本発明について若干の改良や変更することができる。例えば、入力は複数級のＬＣフィルタを用い、チップが補助電源を用いて電力を供給する等の改良や変更も、依然として本発明の保護範囲に属すると見なされるべきである。
【図１】
2019502348.tif 000003
【図２】
2019502348.tif 000004
【図３】
2019502348.tif 000005
【図４】
2019502348.tif 000006
【図５】
2019502348.tif 000007
【図６】
2019502348.tif 000008
【図７】
2019502348.tif 000009
【図８】
2019502348.tif 000010
【図９】
2019502348.tif 000011
【図１０】
2019502348.tif 000012
【国際調査報告】
2019502348.tif 000013
2019502348.tif 000014
2019502348.tif 000015
2019502348.tif 000016